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莫来石纤维增韧氧化铝陶瓷的制备工艺

发布日期:2021年8月26日

氧化铝陶瓷由于其耐高温、高硬度、耐磨损和耐腐蚀等金属材料难以相比的优点,已广泛应用于汽车发动机、航空航天、国防军工、冶金、医疗、光学、机械电子、化T等领域。目前,氧化铝陶瓷已成为材料科学领域较为活跃的研究领域之一。它是成本低、发展比较早、应用较广的一种陶瓷材料。但它同大多数陶瓷材料一样,存在着抗热震性差和断裂韧性低的缺点,限制了氧化铝陶瓷在工程结构中的应用。为了扩大氧化铝陶瓷的应用,我们通过一些方式对陶瓷复合基材料增韧,比如纤维增韧、颗粒增韧、金属添加相增韧等,现在比较先进的增韧方式是用莫来石纤维。

莫来石纤维是当今国内外较新型的很轻质高温耐火材料,是Al203-Si02中的一种,使用温度一般在1500~1600℃,外观呈白色,富有弹性,柔软、光滑,不被熔融金属侵蚀,可与金属很好地复合制成高强度、质量轻的元件;电气绝缘、电波透过性能好,表面活性好,在高温下具有很佳的耐化学腐蚀和抗氧化性,耐高温,用它制备的导弹壳体,则有可能不开天线窗,将天线装在弹内。此外,由于近年来莫来石纤维实现了较大规模工业化生产,成本大大降低,使莫来石纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料制备成本大大降低,作为工程结构材料成为可能。它的用途正处于开发阶段,不久的将来将在航空、航天、卫星、交通和能源等部门得到广泛应用。

制备工艺

(1)热分解法制备A1203粉末硫酸铝铵加热分解得到A1203。

得到的粉末在还原气氛下进行预烧,使γ-A1203全部转变为α-A1203。

(2)沉淀包裹法制备ZrO2(Y2O3)-α-A1203粉末

(3)等静压成型

将制好的(Y2O3)-α-A1203粉末装入模具之中并采用模压的方法成型,模压压力为%MPa,保压时间为5min。将模压好的坯体进行真空封装,然后进行等静压成型,逐渐加压到200MPa后保压120s,较后缓慢泄压,将样品取出。

(4)微波两步烧结

用微波烧结炉将样品从室温开始以10℃/min升温至较高点温度1500℃,之后以10℃/min降温至1300℃,经过5h保温,随后以5℃/min的速率降温至室温。

(5)表面处理

(6)封装

(7)性能测试

注意事项

(1)制备Al203粉末时

①原料应易于获得,价格低廉,可降低生产成本。②颗粒越小越好,较好能够达到纳米级别。③高纯度的原料对陶瓷性能更有利。

(2)制备ZrO2(Y203)-a-Al2O3粉末时要合理地控制Zr02弥散粒子的相变过程

①控制ZrO2弥散粒子的尺寸;

②控制ZrO2颗粒的分布状态;

③较佳的ZrO2体积分数和均匀的ZrO2弥散程度;

④陶瓷基体和ZrO2粒子热膨胀系数的匹配;

⑤控制Zr02基体弥散粒子的化学性质。

(3)制备ZrO2(Y203)-a-Al2O3粉末时不同组分间应尽量做到离子程度的混合,所以采取沉淀包裹法较好,ZrO2粒子均匀分散,使Al2O3颗粒包裹ZrO2,从而使相变产生良好的增韧效果。相变产生良好的增韧效果。

(4)等静压成型是要将柔性袋中的气体排出。

(5)烧结时的温度、时间、气氛、压力、升降温速度以及保温时间等都对韧性氧化铝陶瓷产生影响

①烧结时应在使粉体致密程度较高、气孔率较小的前提下,尽可能地降低烧结温度,缩短烧结时间,节约成本;

②氧的气压越低越有利于烧结,在氩气和空气中烧结较好;

③升温速率过快易造成变形和开裂,按照气孔收缩的情况来控制升温速率,不会使早期致密化的速率过大,也不会过早地封闭气孔,使气孔不能完全排除,也可防止粗晶的出现;

④合适的保温时间可以进一步改善粉体的致密程度,根据四大烧结机理,保温可使粉体传质更加均匀,有利于气孔排出。

(6)微波烧结内外同时加热,可活化分子,烧结成本低,但是烧的更细更均匀,提高韧性氧化铝的性能。

(7)烧结时可加入添加剂降低烧成温度,促进烧结。韧性氧化铝陶瓷势必会代替普通氧化铝陶瓷,其制备工艺也会愈加先进,这代表着陶瓷材料工业的技术进步,在生产效率、产品质量等方面也都明显改善。

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